Formula One cooling model validation and implementation of an engine heat rejection model based on telemetry data

The goal of the following work is to have a better understanding of the performance of the Scuderia Ferrari SF70-H cooling system. The main upgrade introduced will be a refined heat rejection model of the Formula One internal combustion engine in order to create an accurate energy input for a Simulink model of the cooling system. At first a set of tests will be conducted to calibrate the cooling model components in order to achieve a match between specific temperature histories calculated from the cooling model and those measured on the car or at the engine test bench. During this process a new model for one of the radiators will be tested and validated. A new scaling factor will be defined for the engine heat rejection based on correlations performed on engine test bench runs using the standard heat rejection model. This value will be then used as an input for track correlations and scaling factors for the air mass flow rate seen by the radiators will be calculated. A zero dimensional combustion model with a modified Annand relationship will be used to describe the gas temperature and pressure evolution during a power cycle and to define the heat transferred to the cooling system through the cylinder walls. Each engine utilization condition in terms of load and speed will be related to a specific maximum pressure achieved in the combustion chamber and this will be used as a reference value in the combustion model. Here specific parameters defining the burned fuel rate will be iteratively tuned to achieve a perfect match between calculated and measured maximum pressure. All inputs of the combustion model will be mapped to create a set of coherent data related to the specific maximum pressure to be achieved and a heat rejection coefficient map will be created scanning all engine speeds, loads and cylinder wall temperatures. This will be added to the existing heat rejection model in the Simulink cooling system and new heat rejection scalings and correlation factors will be calculated and commented.

Lo scopo del seguente lavoro è di approfondire ed analizzare le prestazioni del sistema di raffreddamento della vettura SF70-H, usata dalla Scuderia Ferrari nel campionato Formula Uno 2017. Il principale upgrade introdotto sarà il miglioramento del modello del motore a combustione interna, al fine di garantire una stima più accurata dell’energia in ingresso al sistema di raffreddamento, modellato in ambiente Simulink. Il primo set di test si focalizzerà sulla calibrazione dei componenti del modello di raffreddamento, al fine di ottenere la sovrapponibilità di tra le storie temporali delle temperature misurate, in vettura o al banco, e quelle simulate. Durante questa fase sarà sviluppato un nuovo modello per uno dei radiatori in vettura. Un nuovo fattore di scala sarà applicato al calore uscente dal motore verso l’impianto di raffreddamento basandosi sulla correlazione dei test del banco motore, usando ancora il modello di heat rejection standard. Questo valore sarà poi usato come input nelle correlazioni con misure prese in pista e dei coefficienti di correlazione saranno applicati ai valori nominali di portata aria vista dai radiatori. Sarà sviluppato un modello di combustione zero dimensionale che implementa una relazione di Annand modificata, al fine di definire l’evoluzione di temperatura e pressione in camera di combustione durante un ciclo di potenza. Questo dato sarà poi usato per calcolare la quantità di calore trasferita al sistema di raffreddamento attraverso le pareti del cilindro. Ogni range di utilizzo del motore, in termini di carico e giri, sarà legato a una specifica pressione massima misurata raggiunta in camera, questa sarà un valore di riferimento per il modello di combustione. A questo punto i parametri che definiscono la quantità di carica bruciata saranno iterativamente modificati al fine di ottenere una pressione massima simulata uguale a quella imposta. Tutti gli input del modello di combustione saranno mappati per creare un set di dati coerente con la relativa pressione massima in camera nella data condizione di utilizzo. Una mappa di coefficienti di heat rejection sarà creata esplorando tutte le condizioni operative, in termini di giri, carico e temperatura delle pareti. Questa sarà integrata all’attuale modello motore presente nel modello Simulink del raffreddamento vettura e ne sarà valutata l’efficacia calcolando e commentando i nuovi fattori di scala e i coefficienti di correlazione ottenuti.